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KR101258079B1 - 배추 유래의 BrCIPK3 유전자 및 이의 용도 - Google Patents

배추 유래의 BrCIPK3 유전자 및 이의 용도 Download PDF

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KR101258079B1
KR101258079B1 KR1020110114017A KR20110114017A KR101258079B1 KR 101258079 B1 KR101258079 B1 KR 101258079B1 KR 1020110114017 A KR1020110114017 A KR 1020110114017A KR 20110114017 A KR20110114017 A KR 20110114017A KR 101258079 B1 KR101258079 B1 KR 101258079B1
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KR
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brcipk3
plant
gene
rice
abiotic stress
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KR1020110114017A
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조용구
이 압둘라 사일리라
이혜정
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충북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 배추(Brassica rapa) 유래의 비생물적 스트레스 내성 관련 BrCIPK3 (Brassica rapa CBL-calcium interacting protein kinase 3) 단백질, 상기 단백질을 코딩하는 유전자, 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터, 상기 재조합 벡터로 형질전환된 숙주세포, 상기 재조합 벡터를 식물세포에 형질전환시켜 식물의 비생물적 스트레스 내성을 증가시키는 방법, 상기 재조합 벡터를 이용한 비생물적 스트레스 내성이 증가된 형질전환 식물체의 제조 방법, 상기 방법에 의해 제조된 비생물적 스트레스 내성이 증가된 형질전환 식물체 및 이의 종자 및 BrCIPK3 유전자를 포함하는 식물의 비생물적 스트레스 내성 증가용 조성물에 관한 것이다.

Description

배추 유래의 BrCIPK3 유전자 및 이의 용도{BrCIPK3 gene from Brassica rapa and uses thereof}
본 발명은 배추 유래의 BrCIPK3 유전자 및 이의 용도에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배추(Brassica rapa) 유래의 비생물적(abiotic) 스트레스 내성 관련 BrCIPK3 (Brassica rapa CBL-calcium interacting protein kinase 3) 단백질, 상기 단백질을 코딩하는 유전자, 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터, 상기 재조합 벡터로 형질전환된 숙주세포, 상기 재조합 벡터를 식물세포에 형질전환시켜 식물의 비생물적 스트레스 내성을 증가시키는 방법, 상기 재조합 벡터를 이용한 비생물적 스트레스 내성이 증가된 형질전환 식물체의 제조 방법, 상기 방법에 의해 제조된 비생물적 스트레스 내성이 증가된 형질전환 식물체 및 이의 종자 및 BrCIPK3 유전자를 포함하는 식물의 비생물적 스트레스 내성 증가용 조성물에 관한 것이다.
염 및 알루미늄 독성을 포함하는 비생물적 스트레스는 벼의 생산량을 제한하는 가장 중요한 문제들이다. 상기 스트레스에 저항성이 있는 작물의 개발은 생산량을 증가시키는데 중요한 역할을 할 수 있다. 식물은 상기 스트레스에 대해 방어 또는 조절을 할 수 있는 칼슘 상호작용 단백질 키나제(calcium interacting protein kinase)를 포함하는 다양한 단백질 키나제를 종종 수반하는 많은 신호전달 경로를 활성화하여 상기 스트레스에 반응한다.
식물에서, 많은 Ca21-감지 단백질 키나제가 스트레스 반응에 관여한다고 보고되었다. 상기 단백질 키나제는 칼슘 의존성 단백질 키나제(Mori et al., 2006, PLoS Biolology 4: e327) 및 SnRK (Suc non-fermentation-related kinase) (Guo et al., 2002, Plant Cell 16: 435-449)를 포함한다. 애기장대에서, CIPK (calcineurin B-like [CBL] protein interaction protein kinase)(Mahajan et al., 2006, Federation of European Biochemical Societies Journal 273: 907-925) 또는 AtCBL/SOS3-like와 연관된 SOS2 (SALT OVERLY SENSITIVE2)-like PKS(protein kinase)로 불리는 SnRK3 서브패밀리를 포함하는 38개의 SnRK (Hrabak et al., 2003, Plant Physiology 132: 666-680)가 있다.
식물이 환경의 신호를 감지하고, 적응 반응을 활성화하기 위해 상기 신호를 세포 기구에 전달하는 메커니즘을 이해하는 것은 생물학에서 근본적으로 중요하다. 따라서, CIPK3 (CBL-calcium interacting protein kinase 3) 유전자의 과발현은 스트레스에 대한 벼의 생존에 매우 유용할 수 있다.
한국등록특허 제10-0803174호에는 식물체 스트레스 저항성 부여방법 및 이에 의해 얻어지는 식물체가 개시되어 있으며, 한국등록특허 제10-0990333호에는 보리 유래의 NHX 유전자를 이용하여 식물의 내염성을 증진시키는 방법이 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명자들은 배추(Brassica rapa) 유래 BrCIPK3 유전자를 형질전환시킨 벼 식물체가 염, 알루미늄, 저온 및 산화적(oxidative) 스트레스와 같은 비생물적 스트레스에 대해 저항성을 나타낸다는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 배추(Brassica rapa) 유래의 비생물적 스트레스 내성 증진 BrCIPK3 (Brassica rapa CBL-calcium interacting protein kinase 3) 단백질을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 단백질을 코딩하는 유전자를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 재조합 벡터로 형질전환된 숙주세포를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 재조합 벡터를 식물세포에 형질전환시켜 식물의 비생물적 스트레스 내성을 증가시키는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 재조합 벡터를 이용한 비생물적 스트레스 내성이 증가된 형질전환 식물체의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 비생물적 스트레스 내성이 증가된 형질전환 식물체 및 이의 종자를 제공한다.
또한, 본 발명은 BrCIPK3 유전자를 포함하는 식물의 비생물적 스트레스 내성 증가용 조성물을 제공한다.
본 발명의 배추(Brassica rapa) 유래 BrCIPK3 유전자를 이용하면 염, 알루미늄, 저온 및 산화적(oxidative) 스트레스와 같은 비생물적 스트레스에 내성이 강한 형질전환 식물체를 개발하는데 유용할 것으로 사료된다.
도 1은 배추(Brassica rapa) 유래 BrCIPK3 전장 cDNA를 포함하는 바이너리(binary) Ti 플라스미드 pFLCIII의 모식도를 나타낸다.
도 2는 BrCIPK3 전장 cDNA 서열(A), BLAST 분석으로부터 선택된 연관관계의 종들을 이용한 이의 계통수(B) 및 BrCIPK3의 아미노산 서열(C)을 나타낸다.
도 3은 배추 식물체에서 BrCIPK3 유전자의 기관별 mRNA 발현 (A), 벼 식물에서 BrCIPK3 hpt 유전자 삽입의 확인(B), 그리고 형질전환된 벼 식물의 다른 조직에서 mRNA 발현(C)을 나타낸다.
패널 A의 레인 설명: 레인 1(종자), 2(암술), 3(수술), 4(눈), 5(꽃잎), 6(꽃받침), 7(꽃대), 8(잎), 9(줄기), 10(뿌리)
패널 B의 레인 설명: 레인 M(DNA ladder), 1-6(형질전환 벼(BrCIPK3)), 7(야생형 고품벼), 8(플라스미드 DNA)
패널 C의 레인 설명: 레인 1(유묘), 2(잎), 3(엽초), 4(줄기), 5(뿌리), 6(종자)
도 4는 노출 7일 후 새로 발아된 형질전환 벼(BrCIPK3) 및 고품벼(야생형)에 대한 알루미늄 독성(1,000 μM)의 효과(A), 그리고 알루미늄 내성과 뿌리 및 신초의 생장(B)을 나타낸다.
도 5는 130 mM NaCl로 처리하여 48시간 후, 시간별 mRNA 발현(A) 및 유리 프롤린 함량(B)을 나타낸다.
도 6은 야생형 고품벼와 Brcipk3 형질전환 벼 및 감수성과 저항성 품종을 2 주 동안 생육한 후에 130 mM 염을 처리했을 때 염 처리에 대한 벼 식물체의 염해 정도를 나타낸다.
도 7은 염 처리하에 형질전환 벼(BrCIPK3) 및 야생형 고품벼(Gopumbyeo)의 발아 분석(A), 그리고 형질전환 벼(BrCIPK3) 및 고품벼 사이의 발아종자의 생존율(%)(B)을 나타낸다. 모든 실험은 적어도 30개의 식물을 이용하여 3회 반복하였다.
도 8은 야생형 고품벼에 비해 BrCIPK3 돌연변이체의 휴면성 시험 결과를 나타낸다. 상기 시험은 시험 당 적어도 30개의 종자를 이용하여 3회 반복하여 수행하였다.
도 9는 야생형 고품벼와 BrCIPK3 형질전환 벼를 2주 동안 저온처리 하에 BrCIPK3 유전자의 mRNA 발현 분석 결과를 나타낸다.
도 10은 야생형 고품벼와 BrCIPK3 형질전환 벼를 2주 동안 저온처리 하에 유리 프롤린 함량을 분석한 결과를 나타낸다.
도 11은 야생형 고품벼와 BrCIPK3 형질전환 벼를 2주 동안 저온처리 하에 가용성 당 함량을 분석한 결과를 나타낸다.
도 12는 고품벼와 BrCIPK3 유전자 형질전환 벼를 국립식량과학원 춘천출장소 내냉성 검정포장에서 15℃ 수온에서 2 주 동안 생장시킨 후에 벼 식물체의 표현형을 조사한 결과이다.
도 13은 고품벼와 BrCIPK3 유전자 형질전환 벼를 국립식량과학원 춘천출장소 내냉성 검정포장에서 15℃ 수온에서 2 주 동안 생장시킨 후에 벼 식물체의 초장 변화를 조사한 결과이다.
도 14는 야생형 고품벼와 BrCIPK3 유전자 형질전환 벼 및 감수성과 저항성 벼를 20% PEG6000이 포함된 Yoshida 영양 용액에 2 주 동안 처리한 후에 벼 식물체가 산화적 스트레스에 반응한 표현형을 조사한 결과이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진, 배추(Brassica rapa) 유래의 비생물적 스트레스 내성 관련 BrCIPK3 (Brassica rapa CBL-calcium interacting protein kinase 3) 단백질을 제공한다.
본 발명에 따른 BrCIPK3 단백질의 범위는 배추로부터 분리된 서열번호 2로 표시되는 아미노산 서열을 갖는 단백질 및 상기 단백질의 기능적 동등물을 포함한다. "기능적 동등물"이란 아미노산의 부가, 치환 또는 결실의 결과, 상기 서열번호 2로 표시되는 아미노산 서열과 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상, 더 더욱 바람직하게는 95% 이상의 서열 상동성을 갖는 것으로, 서열번호 2로 표시되는 단백질과 실질적으로 동질의 생리활성을 나타내는 단백질을 말한다. "실질적으로 동질의 생리활성"이란 식물의 비생물적 스트레스 내성을 증진시키는 활성을 의미한다.
본 발명은 또한 BrCIPK3 단백질의 단편, 유도체 및 유사체(analogues)를 포함한다. 본원에 사용된, 용어 "단편", "유도체" 및 "유사체"는 본 발명의 BrCIPK3 폴리펩티드와 실질적으로 같은 생물학적 기능 또는 활성을 보유하는 폴리펩티드를 말한다. 본 발명의 단편, 유도체 및 유사체는 (i) 하나 이상의 보존적(conservative) 또는 비보존적 아미노산 잔기(바람직하게는 보존적 아미노산 잔기)가 치환된 폴리펩티드(상기 치환된 아미노산 잔기는 유전암호에 의해 암호화될 수도, 되지 않을 수도 있다) 또는 (ii) 하나 이상의 아미노산 잔기에서 치환기(들)를 가지는 폴리펩티드, 또는 (iii) 또 다른 화합물(폴리펩티드의 반감기를 연장할 수 있는 화합물, 예를 들면 폴리에틸렌 글리콜)과 결합된 성숙 폴리펩티드로부터 유래된 폴리펩티드, 또는 (iv) 부가적인 아미노산 서열(예를 들면, 선도 서열, 분비 서열, 상기 폴리펩티드를 정제하는데 사용된 서열, 프로테이노젠(proteinogen) 서열 또는 융합 단백질)과 결합된 상기 폴리펩티드로부터 유래된 폴리펩티드일 수 있다. 본원에 정의된 상기 단편, 유도체 및 유사체는 당업자에 잘 알려져 있다.
또한, 본 발명은 상기 BrCIPK3 단백질을 코딩하는 유전자를 제공한다. 본 발명의 유전자는 BrCIPK3 단백질을 코딩하는 DNA 또는 RNA 일 수 있다. DNA는 cDNA, 게놈 DNA 또는 인위적인 합성 DNA를 포함한다. DNA는 단일 가닥 또는 이중 가닥일 수 있다. DNA는 코딩(coding) 가닥 또는 넌코딩(non-coding) 가닥일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 유전자는 서열번호 1로 표시되는 염기서열을 포함할 수 있다.
서열번호 2로 표시되는 성숙(mature) 폴리펩티드를 암호화하는 폴리뉴클레오티드는 오직 성숙 폴리펩티드만을 암호화하는 코딩 서열; 성숙 폴리펩티드 및 다양한 부가적인 코딩 서열을 암호화하는 서열; 성숙 폴리펩티드(및 임의의 부가적인 코딩 서열) 및 넌코딩 서열을 암호화하는 서열을 포함한다.
용어 "폴리펩티드를 암호화하는 폴리뉴클레오티드"는 폴리펩티드를 암호화하는 폴리뉴클레오티드, 또는 부가적인 코딩 및/또는 넌코딩 서열을 더 포함하는 폴리뉴클레오티드를 말한다.
또한, 본 발명은 본원에 기재된 것과 동일한 아미노산 서열, 또는 이의 단편, 유사체, 및 유도체를 포함하는 폴리펩티드를 암호화하는 상기 폴리뉴클레오티드의 변이체에 관한 것이다. 폴리뉴클레오티드 변이체는 자연적으로 발생하는 대립유전자 변이체 또는 비자연적으로 발생하는 변이체일 수 있다. 상기 뉴클레오티드 변이체는 치환 변이체, 결실 변이체, 및 삽입 변이체를 포함한다. 당업계에 공지된 바와 같이, 대립유전자 변이체는 폴리뉴클레오티드의 대안(alternative)이며, 이는 하나 이상의 치환, 결실 또는 삽입된 뉴클레오티드를 포함할 수 있으며, 변이체에 의해 암호화된 폴리펩티드에서 실질적인 기능 변화를 초래하지는 않는다.
또한, 본 발명은 상기 기재된 서열번호 1의 염기서열 및 상기 기재된 서열번호 1의 염기서열과 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%, 더욱 바람직하게는 적어도 80%의 동일성을 가지는 서열과 혼성화하는 폴리뉴클레오티드에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 스트린전트 조건하에 본원에 기재된 폴리뉴클레오티드에 혼성화하는 폴리뉴클레오티드에 관한 것이다. 본 발명에서, "스트린전트 조건"은 (1) 0.2 × SSC, 0.1% SDS, 60℃와 같은 더 낮은 이온강도 및 더 높은 온도하에서의 혼성화 및 세척; 또는 (2) 50%(v/v) 포름아미드, 0.1% 소혈청/0.1% Ficoll 및 42℃ 등과 같은 변성제의 존재하에 혼성화; 또는 (3) 적어도 80%, 바람직하게는 적어도 90%, 더욱 바람직하게는 95% 이상의 동일성을 가지는 단지 2개의 서열 사이에서 발생하는 혼성화를 말한다. 게다가, 혼성화가 가능한 폴리뉴클레오티드에 의해 암호화된 폴리펩티드의 생물학적 기능 및 활성은 서열번호 2 표시되는 성숙 폴리펩티드의 생물학적 기능 및 활성과 동일하다.
본 발명의 구현예에 따라, BrCIPK3 유전자는 바람직하게는 배추 유래라는 것을 이해해야 한다. 그러나, 본 발명의 구현예는 배추 BrCIPK3 유전자와 높은 상동성(예를 들면, 60% 이상, 즉 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 심지어 98%의 서열 동일성)을 갖고 다른 식물로부터 유래한 다른 유전자를 또한 포함한다. 서열정렬 방법, 및 서열 동일성 또는 상동성을 결정하기 위한 수단(예를 들면, BLAST)은 당업계에 주지되어 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 BrCIPK3 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 제공한다.
용어 "재조합"은 세포가 이종의 핵산을 복제하거나, 상기 핵산을 발현하거나 또는 펩티드, 이종의 펩티드 또는 이종의 핵산에 의해 암호된 단백질을 발현하는 세포를 지칭하는 것이다. 재조합 세포는 상기 세포의 천연 형태에서는 발견되지 않는 유전자 또는 유전자 절편을, 센스 또는 안티센스 형태 중 하나로 발현할 수 있다. 또한 재조합 세포는 천연 상태의 세포에서 발견되는 유전자를 발현할 수 있으며, 그러나 상기 유전자는 변형된 것으로서 인위적인 수단에 의해 세포 내 재도입된 것이다.
본 발명에서, BrCIPK3 단백질을 암호화하는 상기 폴리뉴클레오티드 서열은 재조합 발현 벡터 내로 삽입될 수 있다. 용어 "재조합 발현 벡터"는 세균 플라스미드, 파아지, 효모 플라스미드, 식물 세포 바이러스, 포유동물 세포 바이러스, 또는 다른 벡터를 의미한다. 대체로, 임의의 플라스미드 및 벡터는 숙주 내에서 복제 및 안정화할 수 있다면 사용될 수 있다. 상기 발현 벡터의 중요한 특성은 복제 원점, 프로모터, 마커 유전자 및 번역 조절 요소(translation control element)를 가지는 것이다.
BrCIPK3 단백질-암호화 DNA 서열 및 적당한 전사/번역 조절 신호를 포함하는 발현 벡터는 당업자에 주지된 방법에 의해 구축될 수 있다. 상기 방법은 시험관내 재조합 DNA 기술, DNA 합성 기술 및 생체내 재조합 기술 등을 포함한다. 상기 DNA 서열은 mRNA 합성을 이끌기 위해 발현 벡터 내의 적당한 프로모터에 효과적으로 연결될 수 있다. 또한 발현 벡터는 번역 개시 부위로서 리보좀 결합 부위 및 전사 터미네이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 재조합 벡터의 바람직한 예는 아그로박테리움 투머파시엔스와 같은 적당한 숙주에 존재할 때 그 자체의 일부, 소위 T-DNA 영역을 식물 세포로 전이시킬 수 있는 Ti-플라스미드 벡터이다. 다른 유형의 Ti-플라스미드 벡터 (EP 0 116 718 B1호 참조)는 현재 식물 세포, 또는 잡종 DNA를 식물의 게놈 내에 적당하게 삽입시키는 새로운 식물이 생산될 수 있는 원형질체로 잡종 DNA 서열을 전이시키는데 이용되고 있다. Ti-플라스미드 벡터의 특히 바람직한 형태는 EP 0 120 516 B1호 및 미국 특허 제4,940,838호에 청구된 바와 같은 소위 바이너리(binary) 벡터이다. 본 발명에 따른 DNA를 식물 숙주에 도입시키는데 이용될 수 있는 다른 적합한 벡터는 이중 가닥 식물 바이러스(예를 들면, CaMV) 및 단일 가닥 바이러스, 게미니 바이러스 등으로부터 유래될 수 있는 것과 같은 바이러스 벡터, 예를 들면 비완전성 식물 바이러스 벡터로부터 선택될 수 있다. 그러한 벡터의 사용은 특히 식물 숙주를 적당하게 형질전환하는 것이 어려울 때 유리할 수 있다.
발현 벡터는 바람직하게는 하나 이상의 선택성 마커를 포함할 것이다. 상기 마커는 통상적으로 화학적인 방법으로 선택될 수 있는 특성을 갖는 핵산 서열로, 형질전환된 세포를 비형질전환 세포로부터 구별할 수 있는 모든 유전자가 이에 해당된다. 그 예로는 글리포세이트(glyphosate) 또는 포스피노트리신(phosphinothricin)과 같은 제초제 저항성 유전자, 카나마이신(kanamycin), G418, 블레오마이신(Bleomycin), 하이그로마이신(hygromycin), 클로람페니콜(chloramphenicol)과 같은 항생제 내성 유전자가 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 재조합 벡터에서, 프로모터는 CaMV 35S, 액틴, 유비퀴틴, pEMU, MAS 또는 히스톤 프로모터일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. "프로모터"란 용어는 구조 유전자로부터의 DNA 업스트림의 영역을 의미하며 전사를 개시하기 위하여 RNA 폴리머라아제가 결합하는 DNA 분자를 말한다. "식물 프로모터"는 식물 세포에서 전사를 개시할 수 있는 프로모터이다. "구성적(constitutive) 프로모터"는 대부분의 환경 조건 및 발달 상태 또는 세포 분화하에서 활성이 있는 프로모터이다. 형질전환체의 선택이 각종 단계에서 여러 조직에 의해서 이루어질 수 있기 때문에 구성적 프로모터가 본 발명에서 바람직할 수 있다. 따라서, 구성적 프로모터는 선택 가능성을 제한하지 않는다.
본 발명의 재조합 벡터에서, 통상의 터미네이터를 사용할 수 있으며, 그 예로는 노팔린 신타아제(NOS), 벼 α-아밀라아제 RAmy1 A 터미네이터, 파세올린(phaseoline) 터미네이터, 아그로박테리움 투메파시엔스(Agrobacterium tumefaciens)의 옥토파인(Octopine) 유전자의 터미네이터 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 터미네이터의 필요성에 관하여, 그러한 영역이 식물 세포에서의 전사의 확실성 및 효율을 증가시키는 것으로 일반적으로 알려져 있다. 그러므로, 터미네이터의 사용은 본 발명의 내용에서 매우 바람직하다.
본 발명은 또한, 본 발명의 재조합 벡터로 형질전환된 숙주세포를 제공한다. 본 발명의 벡터를 원핵세포에 안정되면서 연속적으로 클로닝 및 발현시킬 수 있는 숙주세포는 당업계에 공지된 어떠한 숙주세포도 이용할 수 있으며, 예컨대, E. coli JM109, E. coli BL21, E. coli RR1, E. coli LE392, E. coli B, E. coli X 1776, E. coli W3110, 바실러스 서브틸리스, 바실러스 츄린겐시스와 같은 바실러스 속 균주, 그리고 살모넬라 티피무리움, 세라티아 마르세슨스 및 다양한 슈도모나스 종과 같은 장내균과 균주 등이 있다.
또한, 본 발명의 벡터를 진핵 세포에 형질전환시키는 경우에는 숙주세포로서, 효모(Saccharomyce cerevisiae), 곤충세포, 사람세포 (예컨대, CHO 세포주 (Chinese hamster ovary), W138, BHK, COS-7, 293, HepG2, 3T3, RIN 및 MDCK 세포주) 및 식물세포 등이 이용될 수 있다. 숙주세포는 바람직하게는 식물세포이다.
본 발명의 벡터를 숙주세포 내로 운반하는 방법은, 숙주 세포가 원핵 세포인 경우, CaCl2 방법, 하나한 방법 (Hanahan, D., J. Mol. Biol., 166:557-580(1983)) 및 전기천공 방법 등에 의해 실시될 수 있다. 또한, 숙주세포가 진핵세포인 경우에는, 미세주입법, 칼슘포스페이트 침전법, 전기천공법, 리포좀-매개 형질감염법, DEAE-덱스트란 처리법, 및 유전자 밤바드먼트 등에 의해 벡터를 숙주세포 내로 주입할 수 있다.
식물의 형질전환은 DNA를 식물에 전이시키는 임의의 방법을 의미한다. 그러한 형질전환 방법은 반드시 재생 및(또는) 조직 배양기간을 가질 필요는 없다. 식물 종의 형질전환은 이제는 쌍자엽 식물뿐만 아니라 단자엽 식물 양자를 포함한 식물 종에 대해 일반적이다. 원칙적으로, 임의의 형질전환 방법은 본 발명에 따른 잡종 DNA를 적당한 선조 세포로 도입시키는데 이용될 수 있다. 방법은 원형질체에 대한 칼슘/폴리에틸렌 글리콜 방법(Krens, F.A. et al., 1982, Nature 296, 72-74; Negrutiu I. et al., June 1987, Plant Mol. Biol. 8, 363-373), 원형질체의 전기천공법(Shillito R.D. et al., 1985 Bio/Technol. 3, 1099-1102), 식물 요소로의 현미주사법(Crossway A. et al., 1986, Mol. Gen. Genet. 202, 179-185), 각종 식물 요소의 (DNA 또는 RNA-코팅된) 입자 충격법(Klein T.M. et al., 1987, Nature 327, 70), 식물의 침윤 또는 성숙 화분 또는 소포자의 형질전환에 의한 아그로박테리움 투머파시엔스 매개된 유전자 전이에서 (비완전성) 바이러스에 의한 감염(EP 0 301 316호) 등으로부터 적당하게 선택될 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 방법은 아그로박테리움 매개된 DNA 전달을 포함한다. 특히 바람직한 것은 EP A 120 516호 및 미국 특허 제4,940,838호에 기재된 바와 같은 소위 이원 벡터 기술을 이용하는 것이다.
본 발명은 또한, 상기 재조합 벡터를 식물세포에 형질전환시켜 BrCIPK3 유전자를 과발현하는 단계를 포함하는 식물의 비생물적 스트레스 내성을 증가시키는 방법을 제공한다. 바람직하게는, 상기 비생물적 스트레스는 염, 알루미늄, 저온 또는 산화적(oxidative) 스트레스일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 저온은 바람직하게는 4~15℃ 일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 재조합 벡터로 식물세포를 형질전환하는 단계; 및
상기 형질전환된 식물세포로부터 식물을 재분화하는 단계를 포함하는 비생물적 스트레스 내성이 증가된 형질전환 식물체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 방법에서, 상기 비생물적 스트레스는 바람직하게는 염, 알루미늄, 저온 또는 산화적(oxidative) 스트레스일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 저온은 바람직하게는 4~15℃ 일 수 있다.
본 발명의 방법은 본 발명에 따른 재조합 벡터로 식물 세포를 형질전환하는 단계를 포함하는데, 상기 형질전환은 예를 들면, 아그로박테리움 튜머파시엔스(Agrobacterium tumefiaciens)에 의해 매개될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 상기 형질전환된 식물 세포로부터 형질전환 식물을 재분화하는 단계를 포함한다. 형질전환 식물 세포로부터 형질전환 식물을 재분화하는 방법은 당업계에 공지된 임의의 방법을 이용할 수 있다.
형질전환된 식물세포는 전식물로 재분화되어야 한다. 캘러스 또는 원형질체 배양으로부터 성숙한 식물의 재분화를 위한 기술은 수많은 여러 가지 종에 대해서 당업계에 주지되어 있다(Handbook of Plant Cell Culture, 1-5권, 1983-1989 Momillan, N.Y.).
본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 제조된 비생물적 스트레스 내성이 증가된 형질전환 식물체를 제공한다. 상기 식물체는 단자엽 식물일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 바람직하게는, 상기 단자엽 식물은 벼이다.
상기 단자엽 식물은 택사과(Alismataceae), 자라풀과(Hydrocharitaceae), 지채과(Juncaginaceae), 장지채과(Scheuchzeriaceae), 가래과(Potamogetonaceae), 나자스말과(Najadaceae), 거머리말과(Zosteraceae), 백합과(Liliaceae), 지모과(Haemodoraceae), 용설란과(Agavaceae), 수선화과(Amaryllidaceae), 마과(Dio스코어aceae), 물옥잠과(Pontederiaceae), 붓꽃과(Iridaceae), 버먼초과(Burmanniaceae), 골풀과 (Juncaceae), 닭의장풀과(Commelinaceae), 곡정초과(Eriocaulaceae), 화본과(벼과, Gramineae, Poaceae), 천남성과(Araceae), 개구리밥과(Lemnaceae), 흑삼릉과 (Sparganiaceae), 부들과(Typhaceae), 사초과(방동사니과, Cyperaceae), 파초과(Musaceae), 생강과(Zingiberaceae), 홍초과(Cannaceae) 또는 난초과(Orchidaceae)일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명은 또한, 본 발명의 BrCIPK3 유전자를 포함하는 식물의 비생물적 스트레스 내성 증가용 조성물을 제공한다. 본 발명의 조성물에서, 상기 BrCIPK3 유전자는 서열번호 1의 염기서열로 이루어질 수 있다. 본 발명의 조성물은 유효 성분으로서 배추 유래의 BrCIPK3 유전자를 포함하며, 상기 유전자 BrCIPK3를 식물체에 형질전환시킴으로써 식물체의 비생물적 스트레스 내성을 증진시킬 수 있는 것이다. 상기 식물 및 비생물적 스트레스는 전술한 바와 같다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
재료 및 방법
식물 재료 및 형질전환
고품벼(Oryza sativa L. Gopumbyeo)는 형질전환을 위해 사용하였고, 야생형으로 제공하였다. 상기 벼는 노지에서 재배하였고, 종자는 수확되어 세척하였다. 자포니카 벼 품종 고품벼(japonica rice cultivar Gopumbyeo)의 성숙한 벼 종자는 껍질을 제거하여 건강한 종자를 선별하였다. 껍질이 벗겨진 종자는 70% 에탄올로 1분간 멸균한 다음, 멸균수로 세척하였다. 종자는 50 ml 당 1 방울의 Tween 20을 포함하는 2.5% 차아염소산나트륨(sodium hypochlorite)으로 15분 동안 다시 멸균하였고, 그 후 멸균수로 5번 세척하였다. 상기 단계는 Tween 20 없이 한번 더 반복하였다. 상기 멸균된 종자는 0.4% Gelrite로 고체화된 N6D 배지에 접종하였고, 32℃에서 5일 동안 지속적인 광 조건하에 배양하였다.
아그로박테리움( Agrobacterium ) 감염
배추(Brassica rapa) cDNA 라이브러리 유래 칼슘 상호작용 단백질 키나제(calcium interacting protein kinase 3) 유전자의 전장 cDNA를 포함하는 바이너리 Ti 플라스미드 pFLCIII (도 1)를 갖는 아그로박테리움(Agrobacterium) 균주 EHA105는 50 mg/L 카나마이신 설페이트(kanamycin sulfate)를 포함하며 1.5% 한천으로 고체화된 AB 배지에서 28℃에서 3일 동안 암 조건하에 배양하였다. 아그로박테리움 배양물은 플레이트로부터 스크랩핑하였고, OD650를 약 0.3으로 만들기 위해 AAM 배지에 현탁하였다. 전배양된 종자는 튜브를 10분간 살짝 뒤집어서 아그로박테리움 현탁액에 담갔고, 그 후 과도한 세균을 제거하기 위해 멸균 여과지를 이용하여 건조하였다. 상기 종자는 0.4% Gelrite로 고체화된 2N6-AS 배지에 있는 0.5 ml의 AAM 배지로 습윤화된 멸균 여과지로 옮겼다.
형질전환된 소식물체의 선별
25℃, 암 조건에서 3일간의 공배양 후, 종자는 멸균수로 5번 세척하였고 그 후, 아그로박테리움을 제거하기 위해 500 mg/L 카베니실린(carbenicillin)을 포함하는 멸균수로 적어도 5번 세척하였다. 상기 종자는 멸균 여과지를 이용하여 빠르게 건조하였고, 50 mg/L 하이그로마이신(hygromycin) 및 400 mg/L 카베니실린를 포함하는 N6D 배지에서 32℃에서 2주 동안 지속적인 광 조건하에 배양하였다. 배반(scutellum) 유래의 증식 캘러스는 RE-III 배지로 옮겼다. 상기 캘러스 유래 소식물체는 뿌리를 유도하기 위해 RF 배지로 옮겼다. 그 후, 생장된 유묘는 온실로 옮겼다.
DNA 추출
동결건조된 벼 잎 조직은 액체 질소로 처리 후 가루로 만들어져서, 40 mg을 1.5 ml 튜브에 옮겼다. 예열된 CTAB(cetyl trimethylammonium bromide) 추출 완충액 1 ml를 첨가하였다. 그 후 튜브는 상기 완충액과 조직을 균질화하기 위해 볼텍싱하였다. 샘플은 65℃에서 90분 동안 약하게 지속적인 교반을 하면서 배양하였다. 상기 샘플은 실온에서 10분간 온도를 낮추었다. 500 ㎕의 클로로포름:이소아밀 알코올(isoamyl alcohol)(24:1)을 첨가하였고 샘플은 실온에서 10분간 지속적으로 교반하였다. 샘플은 35,000 rpm에서 10분간 원심분리하였다. 수분을 함유하는 상층은 새 튜브로 옮겨졌고, 37℃에서 5㎕ RNAse로 30분간 처리하였다. 그 후, 1/2 부피의 100% 이소프로판올(isopropanol)을 첨가하여 살짝 혼합하였다. 이어서 샘플은 튜브의 밑바닥에 펠렛을 형성하기 위해 35000 rpm에서 30분간 원심분리하였다. 상기 상등액은 버렸고, 1 ml의 75% 에탄올을 상기 펠렛을 세척하기 위해 첨가하였다. 에탄올은 버려졌고 상기 펠렛은 에탄올이 완전히 증발될 때까지 건조하였다. DNA 펠렛은 100㎕의 증류수에 재현탁하였다. 추출된 DNA의 상대 순도 및 농도는 NanoDrop-1000 을 사용하여 측정하였다.
게놈 PCR 분석
PCR 분석은 hpt (hygromycin phosphotransferase) 유전자의 이입을 확인하기 위한 HPT-Fw (GGA TTT CGG CTC CAA TGT CCT GAC GGA; 서열번호 3) 및 HPT-Rv (CTT CTA CAC AGC CAT CGG TCC AGA; 서열번호 4) 프라이머, 그리고 배추(Brassica rapa) 유래 BrCIPK3 유전자의 전장 cDNA의 이입을 확인하기 위한 pBigs_SfiI-Fw (TAT TCG GAG AGG GTA CGT ATT TTT AC; 서열번호 5) 및 pBigs_sfiI-Rv (GCA ACA GGA TTC AAT CTT AAG AAA CT; 서열번호 6) 프라이머를 이용하여 다른 형질전환 세대에서 수행하였다.
PCR 증폭은 1㎕의 게놈 DNA, 0.5㎕의 각 프라이머(10 μM 농도로 희석된), 2㎕의 10× PCR 완충액 (CosmoGeneTech), 2㎕의 10 mM dNTP (CosmoGeneTech), 및 0.1㎕의 Taq 폴리머라제(polymerase)를 포함하는 총 20 ㎕에서 수행하였다. 사용된 PCR 프로파일은 94℃에서 3분 동안 수행되는 1사이클에 이어서, 94℃에서 30초, 55℃에서 45초 및 72℃에서 45초 동안의 변성, 어닐링 및 신장 단계로 구성되는 35사이클, 그리고 72℃에서 15분 동안의 마지막 신장 단계이다. PCR은 PTC-100 및 220 thermocycler (MJ Research)에서 수행하였다. 상기 PCR 산물은 아가로스 겔 전기영동 후, 에티디움 브로마이드(ethidium bromide)로 염색하여 분석하였다.
RNA 추출
총 RNA는 토양으로 옮긴 후 2주 동안 배양된 각 형질전환 식물의 잎에서 추출하였다. 잎 샘플은 액체 질소 처리 후 막자사발을 이용하여 분말로 만들었다. RNeasy Plant Mini Kit (QIAGEN)는 제조사의 지시에 따라 사용하였다. 추출된 RNA의 상대 순도 및 농도는 NanoDrop-1000 을 이용하여 측정하였다.
cDNA 합성 및 RT - PCR
제1가닥 cDNA는 제조사의 지시에 따라 SuperScript II RT cDNA Synthesis Kit (Invitrogen)를 이용하여 oligo(dT) 프라이머와 각 RNA 제조물(1㎍/반응)로부터 총 부피 20㎕에서 합성하였다.
반정량 RT-PCR에 사용된 프라이머 쌍의 특이적 서열은 CIPK3-Fw (5'-ATC GGA AGC AAG TCA AGC G -3'; 서열번호 7) 및 CIPK3-Rv (5'-CTC CAT CGT AGC CTC CGT CAT -3'; 서열번호 8)이다. 액틴 프라이머는 로딩 대조군 및 정량적 RT-PCR 반응의 표준화를 위한 내부 대조군으로 사용하였다.
반정량 RT-PCR은 20㎕ 당 2㎕의 주형 cDNA를 이용하여 수행하였다. 상기 반응은 94℃에서 5분 동안 수행되는 단계, 이어서 94℃에서 30초, 58℃에서 30초 및 72℃에서 30초의 단계로 구성되는 45사이클, 그리고 72℃에서 8분 동안의 마지막 신장 단계를 CosmoGeneTech Taq를 이용하여 수행하였다. RT-PCR은 PTC-100 및 220 thermocycler (MJ Research)에서 수행하였다. 상기 RT-PCR 산물은 아가로스 겔 전기영동 후, 에티디움 브로마이드로 염색하여 분석하였다.
BrCIPK3 유전자 발현
벼 배양 기술
벼(Oryza sativa L. cv. Gopumbyeo) 종자는 1% 차아염소산나트륨에 15분 동안 담궈졌으며, 차아염소산나트륨이 완전히 없어질 때까지 멸균수로 30분 동안 세척하였고, 그 후 멸균수에 담궈졌다. 벼 종자는 32℃, 암 조건에서 발아하였다. 미생물 오염은 매일 멸균수를 바꿔주어 최소한으로 유지하였다.
염도 분석
2 내지 3주 된 유묘는 스티로폼으로 띄워서, 영양 용액과 혼합된 130 mM의 염화나트륨으로 처리하였다(Yoshida et al., 1976, International Rice research Institute, Los Banos, Laguna, Philippines. p61). 잎의 샘플링은 RT-PCR 분석 및 효소 분석(유리-프롤린 및 당)을 위해, 염 처리 후 0, 12, 36 및 48시간째에 실시하였다. 생존 식물 수의 최종 측정은 스트레스로부터 회복 후 2주째에 수행하였다.
발아 분석
야생형 및 Brcipk3 돌연변이체 유래의 각 종자 30개는 130 및 150 mM의 염화나트륨으로 3배수 처리하였고, 37℃에서 2일 동안 배양하였다. 그 후 플레이트는 장일 조건하에 28℃로 옮겨졌다. 발아(라디칼의 발생)는 7일 후 측정하였다.
알루미늄 독성 분석
야생형 및 Brcipk3 돌연변이체 유래의 각 종자 30개를 최적화된 Magnavaca 영양 용액에서 1,000 μM/L의 염화알루미늄을 3배수 처리하여 발아하였다. 동시에, 상기 동일한 샘플 원천을 이용한 대조군 식물은 Yoshida (1967) 영양 용액을 이용하여 배양하였다. 뿌리 길이, 상대적 뿌리 길이 및 발아된 유묘의 신초는 2주 후 측정하였다.
휴면성 분석( Dormancy Assay )
야생형 및 Brcipk3 돌연변이체 유래의 각 종자 30개를 멸균 조직 배양 시험 플레이트에서 3배수로 처리하여 37℃에서 2일 동안 배양하였다. 발아는 7일 후 평가하였다.
유리 프롤린 및 당 분석( Free proline and Sugar assays )
4개-잎 단계의 형질전환 식물을 생화학적 분석에 사용하였다. 잎에서 유리 프롤린 함량은 Troll and Lindsley (1955, Journal of Biological Chemistry 215: 655-660)의 방법에 따라 결정하였다. 약 50 mg의 잎은 1 mL의 설포살리실산(sulfosalicylic acid) (3%)에서 균질화하였고, 상기 균질화 혼합물은 13,000 rpm에서 15분 동안 4℃에서 원심분리하였다. 추출액(200 ㎕)은 새 튜브로 옮겨져서 200 ㎕의 닌히드린(ninhydrin) 용액(2.4 mL의 빙초산 및 1.6 mL의 6-오르토-인산에 용해된 0.1g의 닌히드린) 및 200 ㎕의 아세트산과 혼합하였다. 상기 반응 혼합액을 100℃의 항온 수조에서 30분 동안 처리한 다음, 4℃에서 30분 동안 처리하였다. 그 후 400 ㎕의 톨루엔을 잎 추출액에 첨가하여 완전히 혼합하였다. 최종적으로, 120 ㎕의 톨루엔 상을 분광광도계(Beckman)를 이용한 흡광도 측정(520 nm)을 위해 제거하였다. 유리 프롤린은 하기식을 이용하여 나타내었다:
[(㎍ 프롤린/ml × ml 톨루엔)/115.5 ㎍/μmole]/[(g 샘플)/5] = μmole 프롤린/g 생중량.
당 함량 분석을 위해, 잎에서 총 가용성 당은 변형된 페놀황산(phenolsulfuric acid)법에 의해 결정하였다 (Dubois, 1956). 약 0.1g의 잎은 8 mL의 증류수에서 균질화하였고, 그 후 100℃의 항온 수조에서 30분씩 2번 처리하였다. 상기 추출액(약 500 ㎕)은 새 튜브로 옮겼고, 1.5 mL의 증류수, 1 mL의 9% (v/v) 페놀, 및 5 mL의 황산을 첨가하였으며, 실온에서 30분 동안 유지하였다. 흡광도는 분광광도계(Beckman)를 이용하여 485 nm에서 측정하였다.
실시예 1: BrCIPK3 전장 cDNA 서열 분석 및 계통수
pBigs_SfiI 프라이머와 양성인 BrCIPK3 유전자를 포함하는 형질전환체의 게놈 DNA는 완전한 서열을 확인하기 위해 사용하였다. 실제 시퀀싱은 CosmoGeneTech 회사에서 수행되었고, 결과는 도 2A에 나타내었다. 서열분석 결과, BrCIPK3 유전자의 전장 cDNA 서열은 216 bp의 5'-UTR(untranslated region), 1,509 bp의 코딩 영역 및 257 bp의 3'-UTR 로 이루어진 총 1,982 bp 였다. 코딩 영역(ORF)은 502개 아미노산의 폴리펩티드를 코딩하며, 단백질의 예상 분자량은 74.06 kDa 이다. 상기 서열은 도 2B에 나타낸 바와 같이 연관관계의 종과 23.9 내지 71.2%의 서열 동일성이 관찰되었다. 계통수 분석은 BrCIPK3가 묏장대(Arabidopsis lyrata), 동부(Vigna unguiculata), 애기장대(Arabodpsis thaliana) 및 트리시쿰 이스티붐(Triticum eastivum)의 그룹에 속한다는 것을 나타내었다. 놀랍게도, 벼(Oryza sativa) 및 다른 연관관계의 종들은 BrCIPK3를 포함하는 동일한 그룹에 속하지 않는 또 다른 그룹을 형성하였다.
실시예 2: BrCIPK3 유전자 삽입 및 형질전환 벼의 다른 부위에서의 과발현
BrCIPK3 유전자의 mRNA 발현을 배추(Brassica rapa) 식물체의 각 부위별로 분석한 결과, 도 3A에 나타낸 바와 같이 암술, 줄기 및 꽃받침에서 가장 높은 발현을 보였고, 꽃대, 수술, 눈 순으로 발현량이 낮아졌으며 종자에서는 매우 약한 발현을 보였으나, 꽃잎, 잎, 뿌리에서는 전혀 발현하지 않았다.
BrCIPK3 형질전환 벼의 게놈 DNA를 사용하여, 본 발명자들은 도 3B에 나타낸 바와 같이 벼 게놈 내에서 BrCIPK3 유전자의 존재를 확인하였다. 식물의 칼슘 신호전달에서 BrCIPK3의 기능을 분석하기 위해, 상기 유전자의 발현 패턴을 RT-PCR에 의해 조사하였다. 본 발명자들은 BrCIPK3의 발현이 크게 조절된다는 것을 발견하였다. BrCIPK3 유전자의 형질전환 벼에서 mRNA 발현은 도 3C에 나타낸 바와 같이 유묘와 잎에서 높은 발현을 보였고 뿌리와 종자에서도 비교적 높게 발현되었으나, 엽초와 줄기에서는 매우 낮은 수준으로 mRNA가 발현되어 대부분의 기관에서 탐지되었다.
실시예 3: BrCIPK3 유전자를 포함하는 형질전환 벼의 알루미늄 독성에 대한 내성
BrCIPK3 유전자를 포함하는 벼의 알루미늄 독성에 대한 내성을 시험하기 위해, 본 발명자들은 1,000 μM의 염화알루미늄 하에서, 발아하는 종자를 지지하는 그물을 포함하는 스티로폼으로 띄워진 실린더 튜브를 이용하여 종자를 발아시켰다. 신초 및 뿌리 생장뿐만 아니라 상대적 뿌리 생장은 저항성/내성을 측정하기 위한 파라미터이다(Magnavaca et al., 2010, Martinus Nijhoff, Dordrecht, Netherlands, pp 255-265). 본 발명에서, Brcipk3 형질전환 벼 계통은 야생형 고품벼에 비해 더 높은 신초 및 뿌리 생장을 나타내었다. 게다가, 상대적 뿌리 길이 또한 동일하게 증가하였다. 이는 Brcipk3 형질전환 벼 계통이 높은 농도의 염화알루미늄에 대해 내성을 가진다는 것을 나타냈다(도 4).
실시예 4: 염도 분석 및 발아
식물에서 스트레스 적응은 분자 과정에서의 변화 특히, 유전자 발현에 의존하는데, 이는 생리 및 대사의 재조정을 시작한다. Brcipk3 형질전환 벼 계통이 생리 식염수 조건하에 어떤 반응을 보이는 지를 결정하기 위해, 본 발명자들은 Yoshida 영양 용액(Yoshida et al., 1976, International Rice research Institute, Los Banos, Laguna, Philippines. p61)에 포함된 130 mM의 염화나트륨을 처리하여 mRNA 발현을 분석한 결과 도 5A와 같이 처리 후 12 시간부터 BrCIPK3 유전자 형질전환 벼에서는 mRNA 발현이 관찰되었고 42 시간까지 직선적으로 증가하였으나 야생형인 고품벼에서는 매우 약하게 발현하였다. 또한, 벼 식물체에 130 mM의 염화나트륨을 처리했을 때에 0 내지 12시간에서 유리 프롤린 함량은 차이가 없었으나, 24시간 이상에서는 Brcipk3 형질전환 벼 계통이 현저하게 더 높았다(도 5B). 상기 실험 결과들은 Brcipk3 유전자가 비생물적 스트레스에 관여한다는 것을 나타낸다.
BrCIPK3 유전자 형질전환 벼를 2 주 동안 생육한 다음 130 mM의 염화나트륨을 처리한 후의 식물체 표현형을 보면 도 6에 나타낸 바와 같이 염처리에 감수성인 동진벼와 야생형인 고품벼에서는 피해 증상이 나타나 많은 잎이 고사하였으나 BrCIPK3 유전자 형질전환 벼들은 130 mM 염처리에 저항성 품종으로 알려진 화영벼와 같이 저항성을 보였다. 한편, Yoshida 영양 용액에 130 mM의 염화나트륨을 처리하였을 때 발아율 및 2 주 된 유묘의 생존율을 분석한 결과 도 7에 나타낸 바와 같이 Brcipk3 유전자를 포함하는 형질전환 식물이 야생형에 비해 현저한 내성을 나타내었다. 높은 생존율은 Brcipk3 형질전환 벼에서 관찰되었다. 발아율이 Brcipk3 형질전환 벼 계통(70.66%)에 비해 야생형에서 0%로 관찰되었다. 2주 된 유묘를 이용한 실험에서도 동일한 결과를 나타내었다(도 7). 도 7에서, "control"로 표시된 것은 130 mM의 염화나트륨을 처리하지 않은 벼이다.
실시예 5: 휴면성 시험(Dormancy test)
PHS (Pre-harvest sprouting)는 낟알의 품질 저하를 야기하고, 최종 용도의 적용을 제한하며, 농부 및 식품 가공 처리자에게 상당한 재정 손실을 야기한다. 상기 특징에 대한 Brcipk3 유전자의 영향을 결정하기 위해, Brcipk3 형질전환 벼 및 야생형을 멸균 조직 배양 시험 플레이트에서 3배수로 처리하여 2일 동안 37℃에서 배양하였다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 형질전환 벼 계통의 발아율(40 ~ 68%)은 야생형(100%)에 비해 더 낮았다. 상기 샘플은 동일한 시기에 수집하였기 때문에, 본 발명자들은 Brcipk3 유전자가 휴면성에 관여한다고 가정하였다. Brcipk3 유전자의 PHS에 대한 반응 메커니즘은 조사되어야 한다.
실시예 6: 저온 스트레스 저항성( Cold tolerance )
BrCIPK3 유전자로 형질전환된 벼와 야생형인 고품벼를 4℃ 생육상에서 2 주 동안 생장시킨 후에 mRNA 발현을 분석한 결과 도 9에 나타낸 바와 같이 야생형인 고품벼에서는 BrCIPK3 유전자가 전혀 발현하지 않았으나, BrCIPK3 유전자 형질전환 벼에서는 처리 후 6시간에 이미 높은 mRNA 발현을 보였고 42 시간까지 직선적으로 발현량이 증가하여 42 시간에는 그 발현량이 극히 높았다. 유리 아미노산에 있어서는 도 10 및 도 11에 나타낸 바와 같이 유리 프롤린 및 가용성 당 함량이 4℃ 저온처리 6 시간 후부터 증가하기 시작하여 24 시간 이후에는 야생형인 고품벼 보다 유의하게 증가하여 48 시간 후에는 현저한 증가를 보였다. 이는 도입된 BrCIPK3 유전자에 의하여 유리 아미노산 함량이 급격히 증가하게 되었고 이들 유리 프롤린과 가용성 당 함량의 증가로 저온 스트레스에 저항성을 나타내게 된 것으로 생각된다.
야생형인 고품벼와 BrCIPK3 유전자 형질전환 벼를 국립식량과학원 춘천출장소 내냉성 검정포장에서 15℃ 수온에서 2 주 동안 생장시킨 후에 조사한 바이오매스, 엽록소 함량, 수분함량 및 SES 스코어 (standard evaluation system for cold tolerance)는 표 1에 나타낸 바와 같이 BrCIPK3 유전자 형질전환 벼에서 저온에 대하여 저항성을 보였다. 표 1은 고품벼와 BrCIPK3 유전자 형질전환 벼를 국립식량과학원 춘천출장소 내냉성 검정포장에서 15℃ 수온에서 2 주 동안 생장시킨 후에 벼 식물체의 바이오매스, 엽록소 함량, 수분함량, SES 스코어 등을 조사한 결과이다.
Figure 112011086718691-pat00001
비록 내냉성 검정포장의 저항성 검정에서(도 12) 저온에 중도저항성을 지닌 것으로 알려진 야생형 고품벼와 BrCIPK3 유전자 형질전환 벼 간에 식물체 표현형에 큰 차이를 보이지는 않지만 고품벼와 비슷한 SES 스코어(4.5)를 보인 13700-3과 1313701-1을 제외한 BrCIPK3 유전자 형질전환 벼들은 SES 스코어 4.25를 나타내어 저온에 저항성인 것으로 나타났다. 또한, 초장에서도 내냉성 검정포장에서 2 주 동안의 저온처리 후에 야생형인 고품벼에서는 초장의 증가가 거의 없었지만 대부분의 BrCIPK3 유전자 형질전환 벼들은 고품벼에 비하여 초장의 증가 정도가 컸으며 특히 형질전환 벼 13713-2, 13710-1, 13709-2에서 초장이 5~21배의 증가를 나타내었다(도 13). 엽록소 함량에서는 야생형 고품벼와 형질전환 벼 간에 차이가 없었고 바이오매스에서는 야생형 고품벼와 형질전환 벼 간에 차이가 관찰되어 형질전환 벼 계통인 13709-2, 13710-1, 13713-2 등에서 증가하였다(표 1).
실시예 7: 산화적 스트레스 저항성(Oxidative stress tolerance)
야생형인 고품벼와 BrCIPK3 유전자로 형질전환된 벼를 20% PEG6000이 포함된 Yoshida 영양 용액(Yoshida et al., 1976, International Rice research Institute, Los Banos, Laguna, Philippines. p61)에 2 주 동안 처리한 후에 벼 식물체가 산화적 스트레스에 반응한 표현형을 조사한 결과 도 14에 나타낸 바와 같이 감수성인 가야벼에서는 피해 증상이 나타나 많은 잎이 고사하였으나 BrCIPK3 유전자 형질전환 벼들은 20% PEG6000 처리에 저항성 품종으로 알려진 삼남밭벼와 같이 저항성을 보였다.
<110> Chungbuk National University Industry-Academic Cooperation Foundation <120> BrCIPK3 gene from Brassica rapa and uses thereof <130> PN11226 <160> 8 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 1982 <212> DNA <213> Brassica rapa <400> 1 acacaaacaa caacaacatt acattttaca ttctacaact acatctagag gccaaatcgg 60 ccatcacggc ttcttcttca cacatcaaat cctctcttga ttcttcctct tcagtttagc 120 ttcttcattc taagcttgtc ttgatttgga gtaacctttg ttttggaggt tcttagcatt 180 tggtggaacc tttctaaatc tggtgatttg gtgaaaatga atcggaggca gcaagtcaag 240 cgtagagtag gtaagtatga agtgggaagg acaattgggg aaggaacttt tgctaaagtc 300 aagtttgcaa gaaactctga aactggagaa cctgtagccc tcaagattct tgataaagag 360 aaagtcctca agcataagat gtctgaacag atcagaagag agatagctac tatgaagttg 420 attaagcatc caaatgttgt tcaattgtat gaggtgatgg caagcaagac aaagatattt 480 atcatcttgg agtatgttac aggaggagaa ctctttgata agattgtgaa tgatgggagg 540 atgaaagaag atgaggctcg taggtatttt caacagcttg tgcatgctgt ggactactgt 600 catagcagag gtgtttacca tagagatctc aagcctgaga atttgctatt ggatgcatat 660 ggaaacctca agatctcaga ttttggatta agtgctttgt ctcagcaagt cagggatgat 720 ggactccttc atacatcgtg tggaactcca aactacgttg ctcctgaggt tcttaatgac 780 ggaggctacg atggagcaac agcagacatg tggtcatgtg gtgttatact ctatgtcttg 840 cttgcaggtt acttgccttt cgatgattct aatctaatga atctttataa gaaaatttca 900 tctggtgaat tcaactgtcc tccatggcta tcacttggcg ccatgaaact catcactcga 960 atcttagatc ctaaccccat gactcgtgta acaccacaag aggtgtttga agatgaatgg 1020 ttcaagaaag attacaagcc tccagtgttt gaggagaagg atgattcaaa catggacgat 1080 gttgatgctg ttttcaagga ctccgaggaa catcatgtta ctgaaaaaaa ggaagagcag 1140 ccagctgcaa tcaatgcctt tgagatcatc tcaatgtcaa gggggcttaa cttggaaaac 1200 ctgtttgatc ctgaacagga atttaagaga gaaacaagga taactctgag aggaggcgca 1260 aacgaaatca tcgacaagat agaagaagct gcaaagcctc tcggttttga tgtgcaaaag 1320 aagaactaca agatgaggct tgagaatgtg aaggctggga gaaaagggaa tctcaatgtg 1380 gcaacagaga tattccaagt agcaccaagt cttcatatgg ttcaagtttc gaaatcaaaa 1440 ggggacactc tcgaattcca caagttttat aagaagctgt ctaattctct ggagaatgta 1500 gtctggacga acaacgaagt gaagaaagcg aaagtgaagg gtgggggaaa agggaatttc 1560 aaaggggcca ccgagatatt tcaagtagcc cccagttttc atatggttca agttttgaaa 1620 tccaaagggg gcccttttga atttccccag ttttttaaga aactgtttaa ttttttgggg 1680 aaagttgttt gggcgaacaa cgaaatgaag aaaactggaa aatgaagttc cgtatgaaag 1740 gttgggtttt ttggggccag cttacttttt ttgtttttga gctttttttt tggtgatccg 1800 gctttacttt tgtaaggatt gatgagtgag tggggttggt ttgtgtaagg ggtatatatg 1860 aactgccaaa tcccttataa aatcaaatcg ttggttgaac aaaaaaaaaa aaaaaactga 1920 ggccataagg gcctctagag gatccccggg gcggccgcga gctcgaattc cccgatcgtc 1980 aa 1982 <210> 2 <211> 502 <212> PRT <213> Brassica rapa <400> 2 Met Asn Arg Arg Gln Gln Val Lys Arg Arg Val Gly Lys Tyr Glu Val 1 5 10 15 Gly Arg Thr Ile Gly Glu Gly Thr Phe Ala Lys Val Lys Phe Ala Arg 20 25 30 Asn Ser Glu Thr Gly Glu Pro Val Ala Leu Lys Ile Leu Asp Lys Glu 35 40 45 Lys Val Leu Lys His Lys Met Ser Glu Gln Ile Arg Arg Glu Ile Ala 50 55 60 Thr Met Lys Leu Ile Lys His Pro Asn Val Val Gln Leu Tyr Glu Val 65 70 75 80 Met Ala Ser Lys Thr Lys Ile Phe Ile Ile Leu Glu Tyr Val Thr Gly 85 90 95 Gly Glu Leu Phe Asp Lys Ile Val Asn Asp Gly Arg Met Lys Glu Asp 100 105 110 Glu Ala Arg Arg Tyr Phe Gln Gln Leu Val His Ala Val Asp Tyr Cys 115 120 125 His Ser Arg Gly Val Tyr His Arg Asp Leu Lys Pro Glu Asn Leu Leu 130 135 140 Leu Asp Ala Tyr Gly Asn Leu Lys Ile Ser Asp Phe Gly Leu Ser Ala 145 150 155 160 Leu Ser Gln Gln Val Arg Asp Asp Gly Leu Leu His Thr Ser Cys Gly 165 170 175 Thr Pro Asn Tyr Val Ala Pro Glu Val Leu Asn Asp Gly Gly Tyr Asp 180 185 190 Gly Ala Thr Ala Asp Met Trp Ser Cys Gly Val Ile Leu Tyr Val Leu 195 200 205 Leu Ala Gly Tyr Leu Pro Phe Asp Asp Ser Asn Leu Met Asn Leu Tyr 210 215 220 Lys Lys Ile Ser Ser Gly Glu Phe Asn Cys Pro Pro Trp Leu Ser Leu 225 230 235 240 Gly Ala Met Lys Leu Ile Thr Arg Ile Leu Asp Pro Asn Pro Met Thr 245 250 255 Arg Val Thr Pro Gln Glu Val Phe Glu Asp Glu Trp Phe Lys Lys Asp 260 265 270 Tyr Lys Pro Pro Val Phe Glu Glu Lys Asp Asp Ser Asn Met Asp Asp 275 280 285 Val Asp Ala Val Phe Lys Asp Ser Glu Glu His His Val Thr Glu Lys 290 295 300 Lys Glu Glu Gln Pro Ala Ala Ile Asn Ala Phe Glu Ile Ile Ser Met 305 310 315 320 Ser Arg Gly Leu Asn Leu Glu Asn Leu Phe Asp Pro Glu Gln Glu Phe 325 330 335 Lys Arg Glu Thr Arg Ile Thr Leu Arg Gly Gly Ala Asn Glu Ile Ile 340 345 350 Asp Lys Ile Glu Glu Ala Ala Lys Pro Leu Gly Phe Asp Val Gln Lys 355 360 365 Lys Asn Tyr Lys Met Arg Leu Glu Asn Val Lys Ala Gly Arg Lys Gly 370 375 380 Asn Leu Asn Val Ala Thr Glu Ile Phe Gln Val Ala Pro Ser Leu His 385 390 395 400 Met Val Gln Val Ser Lys Ser Lys Gly Asp Thr Leu Glu Phe His Lys 405 410 415 Phe Tyr Lys Lys Leu Ser Asn Ser Leu Glu Asn Val Val Trp Thr Asn 420 425 430 Asn Glu Val Lys Lys Ala Lys Val Lys Gly Gly Gly Lys Gly Asn Phe 435 440 445 Lys Gly Ala Thr Glu Ile Phe Gln Val Ala Pro Ser Phe His Met Val 450 455 460 Gln Val Leu Lys Ser Lys Gly Gly Pro Phe Glu Phe Pro Gln Phe Phe 465 470 475 480 Lys Lys Leu Phe Asn Phe Leu Gly Lys Val Val Trp Ala Asn Asn Glu 485 490 495 Met Lys Lys Thr Gly Lys 500 <210> 3 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> HPT-Fw primer <400> 3 ggatttcggc tccaatgtcc tgacgga 27 <210> 4 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> HPT-Rv primer <400> 4 cttctacaca gccatcggtc caga 24 <210> 5 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> pBigs_SfiI-Fw primer <400> 5 tattcggaga gggtacgtat ttttac 26 <210> 6 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> pBigs_sfiI-Rv primer <400> 6 gcaacaggat tcaatcttaa gaaact 26 <210> 7 <211> 19 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> CIPK3-Fw primer <400> 7 atcggaagca agtcaagcg 19 <210> 8 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> CIPK3-Rv primer <400> 8 ctccatcgta gcctccgtca t 21

Claims (12)

  1. 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진, 배추(Brassica rapa) 유래의 비생물적(abiotic) 스트레스 내성 관련 BrCIPK3 (Brassica rapa CBL-calcium interacting protein kinase 3) 단백질.
  2. 제1항의 단백질을 코딩하는 유전자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유전자는 서열번호 1의 염기서열로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전자.
  4. 제2항의 유전자를 포함하는 재조합 벡터.
  5. 제4항의 재조합 벡터로 형질전환된 숙주세포.
  6. 제4항의 재조합 벡터를 식물세포에 형질전환시켜 BrCIPK3 유전자를 과발현하는 단계를 포함하는 식물의 비생물적 스트레스 내성을 증가시키는 방법.
  7. 제4항의 재조합 벡터로 식물세포를 형질전환하는 단계; 및
    상기 형질전환된 식물세포로부터 식물을 재분화하는 단계를 포함하는 비생물적 스트레스 내성이 증가된 형질전환 식물체의 제조 방법.
  8. 제7항의 방법에 의해 제조된 비생물적 스트레스 내성이 증가된 형질전환 식물체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 비생물적 스트레스는 염, 알루미늄, 저온 또는 산화적 스트레스인 것을 특징으로 하는 형질전환 식물체.
  10. 제8항에 있어서, 상기 식물체는 단자엽 식물인 것을 특징으로 하는 형질전환 식물체.
  11. 제8항에 따른 식물체의 종자.
  12. 서열번호 1의 염기서열로 이루어진 BrCIPK3 유전자를 포함하는 식물의 비생물적 스트레스 내성 증가용 조성물.
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